構建有機知識體系，促進學生學習能力發展

曹怡然 薛貴

以ChatGPT、Sora為代表的新一代人工智能正在加速改變世界，并深刻影響未來的學習方式。一方面，知識生產呈爆炸式增長，但知識的碎片化程度也日益加劇；另一方面，雖然知識獲取速度和效率大幅增加，隨之而來的卻是個體知識焦慮水平不斷加深，難以持續聚焦深度學習。但教育領域的變革似乎遠遠未能跟上時代的步伐，傳統教育方法仍然習慣于機械重復和題海戰術，而忽視了引導學生自主深度學習和系統思考。許多號稱“人工智能+教育”的學習，不過是拆分知識點和“精準”推送習題。這些碎片化、機械化和“填鴨式”的教學方法導致學生陷入死記硬背的困境，看似學得快，但忘得更快，而且無法真正理解知識的內涵和知識之間的關系，難以舉一反三和實際應用。另外，雖然AI技術可以幫助學生快速獲取組織后的知識，但有時也會犯常識性的錯誤，這對學生的批判性思維能力和獨立思考能力提出了新的挑戰。

為了應對以上困境，教育應當創新傳授知識的方式，遵循知識組織的規律，加強知識體系建構，鼓勵學生進行深度學習，幫助學生形成有機的知識體系，從而能夠在復雜多變的情境中準確靈活遷移應用。那么有機的知識體系是什么？有機知識體系的建立又會如何促進學生的能力發展呢？本文將從腦科學的視角，揭示人腦知識體系的組織原則和方式，解密其功能和優勢，并為教學實踐中如何促進有機知識體系的構建提供一些可操作的建議和方法。

有機知識體系的特征：來自腦科學的啟示

什么是有機的知識體系，它具備哪些特征？我們可以從人腦的知識組織原則中得到一些啟發。

有機知識體系具備模塊化的特征。我們的大腦以分布的方式進行知識存儲。例如，在學習化學元素“鈉”時，負責存儲名字的腦區，會讓我們知道它的化學式是“Na”；負責存儲形狀和顏色的腦區，會讓我們想起它是銀白色金屬狀的固體；而做鈉水反應實驗時，相關的運動信息和聲音信息會分別存儲在對應的腦區。

這種分布式存儲其實體現了大腦的一個基本信息組織原則，就是成分化表征。所謂的成分化表征，就是把一個復雜的信息分解成不同的基本構成元素，然后根據不同的需要進行組合。這有點像化學，所有的物質由不同的化學元素組合而成。這樣做的好處，一是可以用一些基本的元素來表征不同的事物，更加經濟和高效；二是這樣的表征可以很好地反映不同事物之間的相似性，實現類比和遷移；三是雖然建立信息連接的過程需要大量的重復，但是一旦建立起來，就比較牢固，也容易遷移。

有機知識體系具備層級性的特征。我們大腦的信息表征和存儲具有高度的層級性，包含了從具體到抽象、從局部到整體的層級加工。比如看到一張人臉時，我們大腦的視覺系統會逐步加工：初級視覺皮層只是加工簡單、具體的線條和邊緣輪廓，到了高一級的皮層，會以這些信息為基礎抽象出形狀和三維深度，構成臉型、眼睛、嘴巴和鼻子，這些信息匯總到顳葉下部，最終識別成一張“臉”。這種同時包含了具體和抽象信息的記憶存儲是人腦的一個重要特征，使得我們能夠實現具體和抽象的整合。具體的信息使我們產生具身的、感官化的、深刻的體驗，并和真實世界連接；而抽象的知識又使我們把握現象背后的本質和知識間的關系，進而有所創新。

有機知識體系具備結構化的特征。人腦中這些包含了具體和抽象信息且分布式存儲的知識并不是雜亂無章的，而是有結構的。這種結構化的知識也叫“認知地圖”，或者“圖式”。結構化知識或認知地圖概念非常復雜，還存在不同的爭議。

1948年，認知心理學家愛德華·托爾曼（Edward Chase Tolman）做動物實驗時發現，小鼠需要從一個起點出發，沿著特定路線尋找出口。經過反復練習，小鼠找到出口的速度越來越快。更加重要的是，如果我們把某個路口堵住，小鼠可以找到另外一條很近的路。這說明，小鼠并不是簡單記住了這條特定的路線，而是學會了迷宮的整體空間布局，這就是小鼠腦中的“認知地圖”。其實人也是一樣，即使沒有地圖和導航，在新的城市生活幾天后，人也能在頭腦中形成不同地點之間的位置關系，也就是“認知地圖”。

除了這種空間關系的“認知地圖”，人們還會形成多種結構化的知識。比如，有經驗的棋手記棋譜的速度很快，說明他們掌握了圍棋的規律，這是一種“認知地圖”。頂尖的足球和籃球運動員可以快速判斷球場的形勢，并做出最佳的傳球，這也是形成了比賽的“認知地圖”。語言專家能輕松判斷句子的語法是否準確，是由于形成了語言的“認知地圖”。科學、醫療、刑偵等各領域的專家形成的某些直覺，也源于他們的“認知地圖”。

可以看到，與碎片化的知識不同，有機的知識體系指的是將知識拆分成一些基本單元，并按照需求重新組合，從而形成一個層次分明、緊密聯系、結構嚴密的知識體系。

有機知識體系的好處

有機知識體系幫助快速掌握知識。有機知識體系能夠通過理解記憶幫助我們更好地學習和掌握知識。學習新知識時，人們總是嘗試將之嵌入已有的知識體系，從而提升記憶效率。研究表明，如果將新知識與已有的時序結構結合起來學習，個體的序列記憶表現將顯著提升，這實際上也是記憶術的原理。因為有機知識體系內部存在一個結構，在這個結構的基礎上可以擴展和豐富知識，這也像修建高樓搭建的主體框架一樣。沒有這個結構，知識就是雜亂無章的，不容易提取。很多教師和校長都有這樣的體會：在自己熟悉的領域，記憶效果往往非常好。這是因為，我們先前的知識經驗在頭腦中形成了知識體系，當新知識能很好地與這個知識體系融合時，我們就更容易記住這些知識。

有機知識體系促進知識靈活應用。學習的目的不單單是為了記住知識，更關鍵的是要運用知識去解決問題。孤立的記憶或知識即便被勉強記住，我們也只是能“默寫”出來，根本不知道它們能解決什么問題。如果建立的知識體系非常豐富，包含了更多層級以及雙向鏈接，那么我們也能夠組合和提出更多有創意的解決思路。在學習中，如果我們建立了某個學科的有機知識體系，那我們就可以解決很多全新的題目。現在中高考強調知識的靈活應用，跨學科知識增多，死記硬背不再適用。另外，前面提到的一流棋手因面臨不斷變化的比賽形勢，不能單靠硬背棋譜和戰術，而是依賴有機的知識體系，從而游刃有余地應對。科學、醫療和法律等領域的專家也需要靈活應用知識，以做出更準確的決策、找到更有效的方法，并實現更優化的結果。

如何在教育實踐中建立和運用有機知識體系

大腦的建構模式使得每個人天生都有在一定程度上整合知識的能力。通過科學的學習方法，能夠更加系統和高效地幫助學生形成結構有序、聯系緊密的有機知識體系。綜合現有研究成果，我們為教育者提供如下幾個建議：

合理拆分，形成組塊。教師可以讓學生根據已有的知識和經驗，把復雜的新知識拆分成和舊知識密切相關的小組塊，幫助學生建立新知識與舊知識之間的聯系。例如，在英語教學中，教師可以教給學生單詞的詞根和詞綴，這樣在學習新單詞時，學生便能很自然地把單詞分成幾個組塊，并且找到新單詞和已學過的詞根、詞綴之間的聯系，不僅能快速記住單詞的拼寫，也能理解和學會單詞的含義。

依據語義規律組織學習材料。人腦中的語義規律處于一種自動激活擴散的狀態，比如學生剛學會上衣的表達方式，自然想知道褲子是哪個單詞。教師在準備學習內容時，可以遵循這一規律，把語義聯系緊密的知識組織在一起。比如，按照主題類別來學習單詞，分成“文具類”“水果類”“衣物類”等；學習口語對話時，按照使用場景分為“超市購物”“交通出行”“醫院看病”等。每一類內容放到一起學習，這樣語義上聯系本就緊密的單詞和短語，記起來更快更牢，在真實場景中更容易運用上。使用某一個單詞時，自然地想起與之相關的一類單詞，也就再次鞏固了對知識的掌握。

運用思維導圖法構建知識網絡。思維導圖是一種將思維可視化的工具，它可以幫助學生在零散的知識點之間建立各種各樣的聯系，整合在一起，形成一個系統化、層次化的知識結構。比如，在期末考試前，將本學期學過的化學物質、方程式等整理在樹狀圖或括號圖上，還可以引導學生使用雙氣泡圖對比分析物質屬性間的相同和不同，進一步對知識間的聯系有更清晰的把握。這樣，學生在記憶和回憶時，就不容易混淆了。

從教師“輸入”到學生“輸出”的轉變。對相同的知識，每個人理解各異。這是因為每個人大腦都有獨特的連接模式。雖然教師會盡量考慮學生的知識背景和思維模式，但也難以讓學生完全理解自己的思路。很多教師選擇將知識碎片化，甚至鼓勵學生直接記憶而非理解。這種方式顯然不利于知識的掌握和有機知識體系的形成。

為了解決這一困境，一個有效的方式就是從“教師教”到“學生學”、從輸入到輸出的轉變。這也是受到著名的“費曼學習法”的啟發。在輸出的過程中，學生需要主動發現知識間的關系、組織知識，并構建符合自己知識背景的知識體系。

在教學實踐中，要全面了解每個學生的輸出，可能會占用較多的教學時間。一方面，教師需要轉變觀念，認識到這里的慢是一種快，因為這樣記憶更牢固，不需要花費太多的時間復習。另一方面，教師也可以通過一些策略來提高效率，下面介紹兩種有代表性的方式：

一是布置綜合性作業。常見的作業包含抄寫、背誦、填空題等，但由于每個題目所涉及的知識點非常少，這不利于建立知識體系。而作文、畫報、讀后感、調查報告、實驗報告等綜合性作業，則需要綜合應用到很多知識。在這個過程中，學生可以消化和梳理所學知識，形成持久的、獨屬于自己的有機知識體系，并且在未來真正運用起來。

二是開展項目式學習。在項目式學習中，學生需要自主確定項目目標、制訂計劃、收集信息、解決問題、展示成果等，這就鍛煉了學生綜合運用知識的能力。例如“校園里該如何放置垃圾桶？”這一課題就綜合了多個學科的知識。首先，垃圾桶的數量和位置怎樣設計最方便使用，需要用到空間幾何、計算等數學知識；其次，垃圾桶采用什么材料更環保，需要用到化學、生物的知識；再次，垃圾桶的外觀設計需要審美藝術的知識；最后，組織語言分享自己的設計理念需要語文相關的知識。在這個過程中，學生能及時查漏補缺，將知識體系補充得更完善、更全面。另外，學生能在不同學科知識之間建立新的聯系，進一步擴大和整合自己腦中的知識體系，也能更高效地解決實際問題。

此外，積極利用睡眠并提高睡眠質量，也有助于知識體系的建構。人們一直認為睡覺時大腦在休息。實際上，睡眠時大腦也在積極工作，重新組織和梳理學習內容。約克大學的研究人員發現，如果學習后睡上一覺，成績會有顯著提高。這表明在睡眠中，記憶得到了鞏固。大腦研究進一步發現，在慢波睡眠（SWS）過程中，與新學知識有關的神經活動被自發地激活（即“睡眠重放”），學習內容被重新組織，從而促進知識體系的建構和應用。

“纖纖不絕林薄成，涓涓不止江河生。”無論是有機知識體系的搭建，還是學生認知能力的提升，成效并非在第一天就能顯現出來。就像樹苗剛剛種下時，它需要不斷吸收養分，將樹根向土壤深處延伸，逐步建立起強大堅固的根系，而正是這看似沒有短期回報的過程，才造就了之后突飛猛進的高速生長，使之成為一棵茂盛的參天大樹。因此，我們需要以耐心和毅力去陪伴學生在知識的土地上“深深扎根”，幫助學生形成知識體系的“參天大樹”。

【致謝：本文得到“國家科技創新2030—‘腦科學與類腦研究重大項目——中國學齡兒童腦智發育隊列研究”（項目編號：2021ZD0200500）的資助】